光电检测答案

光电检测技术-复习大纲

2014春班

1.基本概念原理

1) Lamberts Cosine Law 的定义及解释。

I=I*cosa。朗伯余弦定律，朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和法线之间夹角余弦变化。

2)照度与距离平方成反比定律

若均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比。

3)亮度守恒定律

光在同一介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任意表面亮度相等且守恒。

2.光源

1)发光的机理：热辐射、发光。

一、一类是物质受热，产生热辐射而发光；二、一类是物体受激发吸收能量

而跃迁至激发态(非稳定态)在返回到基态的过程中，以光的形式放出能量。

2)光源类型：黑体辐射，非相干光，激光。区别是什么。

一、黑体辐射：能量按波长的分布仅与温度有关，随着温度不同，光的颜色

各不相同；

二、非相干光：相位无规则变化，总光强是各束光的总合，一般普通光源即

为非相干光；

三、激光光源：受激辐射，有很好的相干性。

....

3)激光器的主要构成部分及其作用。

①工作物质(又称激活媒质或增益介质):粒子有适当能级结构，可实现粒

子数反转；

②激励能源：抽运(又叫泵浦),即把大量粒子激励到激光上能级(高能级);

③光学谐振腔：选模(提高N即相干性),实现光学正反馈。

4)激光的特点。

高方向性、高亮度和高功率辐射密度、高单色性、高相干性

5)何为黑体，黑体的辐射光谱特征(黑体辐射三定理)。

一、在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体，

即吸收比为1的物体。

二、

①黑体发射的光谱是连续的；

②黑体单色辐射力随温度身高而增大，单色辐射力曲线下的面积就是黑体辐

射力曲线下的面积就是黑体的总辐射力；

③给定温度下，黑体的单色辐射力具有一最大值，对应波长称为最大单色辐

射力波长。随着温度升高，最大单色辐射力波长向短波方向移动；

三、斯特潘一玻尔兹曼定律、维恩位移定理、普朗克定律

3光信道

1)采用激光无线通信时，信道对其影响可能有哪些?

由于大气散射、折射、湍流等诸多因素的影响，会造成激光信号在传输过程中能量衰减，光强闪烁，光束随机偏转。

4.光电转换器(传感器、探测器)

1)描述光电探测器的主要技术指标是什么?

光电器件的探测灵敏度、响应时间和频率相应、噪声等效功率、探测度D与比探测度D*、量子效率

2)设计一个光电系统时，选择光电探测器的主要考虑有哪些?

①光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配；②光电检

测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配；③光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真和良好的时间响应；④光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应。

3)解释内光电效应、外光电效应。为何说材料的禁带宽度Eg是个重要参数?

一、

①由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导

效应和光生伏特效应。

光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大；光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体(如p-n结),在自建场的作用下，半导体内部产生光电压。

②某些材料在入射光子的能量足够大时有电子逸出材料表面的现象。

二、半导体能带结构中，导带最低点与价带最高点之间的能量差，禁带宽度

的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。

禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；对于BJT,当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时，将会导致电流增益大大降低。

4.1光子探测器

1)光电导器件的电极设计通常为什么形状?为何如此设计?

一、梳状。二、因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之

间距离，从而可减小极间电子渡越时间，有利于提高灵敏度。

2) PIN光电二极管名称中的I指什么?I层的加入主要起什么作用?

在上述的光电二极管的p-n结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征(Intrinsic)半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子一空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。

3)雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes )APD 的特性。对比APD和光电

倍增管性能。“雪崩”的概念。

一、灵敏度高、响应速度快、噪声等效功率很小、反偏电压高·

雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。

二、光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，

测量精度高，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点，它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。

三、光电流成倍地激增

4)光电三极管与光电二极管性能对比。

①

光电二极管的光电流小，输出特性线度好，响应时间快；

而光电三极管光电流大，输出特性线度差，响应时间慢。

②温度特性

硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Ia和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极管的暗电流Ia和亮电流IL 受温度的影响要比硅光电二极管大得多。

③光谱响应

光电二极管和光电三极管具有相同的光谱响应

4.2热电探测器

1)热敏电阻通常用来感测温度，但也可以制作成用来感测光的传感器，它与光

敏电阻的实质区别是什么?

电阻大小与导电率成反比，导电率又与电荷数(n)和电荷的移动能力mobility(u)万成正比。

由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

对于热敏电阻，若电子和空穴的浓度分别为n、p,迁移率分别为pn、/p 则半导体的电导为：

c=q(njn+prp)

因为n、p、pm、/p都是依赖温度T的函数，主要影响速度。

5成像传感器

1) CCD传感器的工作原理、步骤与方式。

一、CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。

当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。

二、CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通

过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。

三、CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到

光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

2)CCD成像传感器与CMOS成像传感器的对比。

①CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感

光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同

CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。

CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而

②CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

3)解释“帧行间转移”(Frame Interline Transfer -CCD)CCD工作时序和优势。

4)实际的彩色CCD成像传感器结构及其各层的作用。拜耳阵列。

一、

①感光二极管( Photodiode)

②并行信号积存器( Shift Register):用于暂时储存感光后产生的电荷。

③并行信号寄存器( Transfer Register):用于暂时储存并行积存器的模拟信

号并将电荷转移放大。

④信号放大器：用于放大微弱电信号。

⑤数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号

二、

①微型镜头

一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定

②分色滤色片

分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点

③感光层

感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

三、拜耳阵列模拟人眼对色彩的敏感程度，采用“1红2绿1蓝”的排列方

式将灰度信息转换成彩色信息。采用这种技术的传感器实际每个像素仅有一种颜色信息，需要利用反马赛克算法进行插值计算，最终获得一张图像。

6光电耦合器件

1)光电耦合器的主要作用有哪些?

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电一光一电”转换器件。

用来隔离高频电路与低频电路——高频电路产生的高频信号会干扰低频电路，用光耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号

①在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器

的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。

②作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很

好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。③在触发电路上的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。④在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。⑤在线性电路上的应用线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。⑥特殊场合的应用光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。

2)光电耦合器的主要参数有哪些?

光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降V、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压VBRCEO、集电极-发射极饱和压降VcE()。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等。

3)光电耦合器如何实现通信信号的隔离传输?

在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；

另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将两个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，长线的“浮置”

去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成的相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

7调制与扫描

1)何为内调制、外调制?

一、内调制，是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的

规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性实现调制。

二、外调制，是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光

谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数(强度、频率等)。外调制是当前人们较重视的一种调制方法。”

2)绝对式旋转编码器与增量式旋转编码器区别。

一、增量式旋转编码器

用光信号扫描分度盘(分度盘与转动轴相联),通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度。

特点：

①编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信

号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的；

②由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定；

③由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位。

优点：分辨能力强；测量范围大；适应大多数情况。

缺点：断电后丢失位置信号；技术专有，兼容性较差。

二、绝对式旋转编码器

用光信号扫描分度盘(分度盘与传动轴相联)上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量。

特点：

①在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的

位置数据是唯一的；②因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据；③检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。

优点：结构简单；角行程编码(通过旋转轴获得);线性编码(激光远距离测量);掉电不影响编码数据的获得；最大24位编码。

缺点：比较贵。

8检测技术

1) PD的高阻放大器、跨阻放大器接收。

2)光的直接检测与相干检测的对比。

一、直接检测，

光源：非相干或相干光源

原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。

调制方法：光强度调制、偏振调制。

是一种简单实用的方法。

二、相干检测，

光源：相干光源

原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。

调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制

测量精度(灵敏度)更高，作用距离更远。

3)光相干检测如何实现了高检测灵敏度?

与IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20 dB,相当于在相同发射功率下因为通过检测本振和信号光的差来提高接收的灵敏度。

零差相干光检测

I,(t)= 2RVPP I ( t) = RPS

与直接检测的光通信系统相比，零差相干检测电流提高了√4P/P

倍，电功率提高了4P/P,倍。Pi远远大于Ps零差检测接收光功率可以放大几个数量级。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。

与零差检测相似，外差检测接收光功率细节丰富了，从而提高了灵敏度。由于信号电流的交变特性，电流在一个周期内的平均信号功率降低了一半，SNR较零差检测低3dB。